本发明属于岩土工程领域，涉及一种土柱渗流实验装置、一种土—水分离实验方案，具体为一种雨水入渗下渗流侵蚀实验装置以及土—水分离实验方法。
背景技术
我国三峡库区的地貌中，大多山坡都是由残积层、风化岩石、坡积物、岩溶崩塌堆积等形成的堆积边坡，这类边坡的松散度大、孔隙率高、渗透性强，在这类地质材料的边坡中地质灾害较为严重，灾种类型全面，灾害事故数量大，最为常见的就是滑坡、崩塌等。
2014年8月31日，重庆东北部地区出现大面积强降雨，致使渝东北开县、云阳、巫溪、奉节、巫山等5个县的48个雨量站超过250mm，其中云阳、奉节、开县和主城区等地9月1日的降雨量破历史同期纪录，巫溪8月31日的降雨量也达到了历史同期最高。据统计，这次强降雨过程中，山洪灾害监测预警平台发布预警信息107个，发布预警短信条数9072条，启动预案114个，紧急转移安置5万余群众。从统计数据看，此次安置转移群众大都位于堆积体分布区域，堆积体区域滑坡隐患大。
原生堆积体受人类活动扰动，加上降雨的作用，一般认为是造成堆积体坡体变形失稳的主要因素，但在“8.31”特大暴雨后观测到的一些现象表明：堆积体自身所具有的高孔隙率、强透水性特征也是引起堆积体变形的原因之一，由降雨导致的内部侵蚀进而引起的沉降变形加剧了坡体及其上建筑物的变形。例如：在对奉节县康乐镇李坪村苦草坪区域出现的大范围滑坡险情排查中发现，地裂缝主要集中在滑坡前缘，裂缝方向总体与主滑方向垂直；但又同时观察到，某些裂缝的变形方向与滑坡主滑方向差异大，延伸性差，房屋(砖房)变形裂缝以“八”字形为主，体现为区域内的不均匀沉降变形。
目前针对堆积体在降雨条件下变形-失稳发展机理的认识都还停留在传统的土-水两相两场耦合问题上，忽略了内部侵蚀对堆积体自身微观结构、物理力学性质的影响进而引起潜在的沉降变形，当前也没有可用于研究雨水入渗条件下松散堆积体土柱渗流侵蚀实验的装置以及实验方案。
因此，开发了适用于研究雨水入渗下土柱渗流侵蚀实验装置以及土—水分离实验方法，可以揭示雨水入渗条件下土柱侵蚀破坏的机理、影响堆积体土柱内部稳定性的因素以及内部侵蚀破坏对松散堆积体土柱物理力学性质的影响。
技术实现要素：
针对现有背景技术存在的不足，为了研究含碎石粉质粘土松散堆积体在雨水入渗条件下潜在的内部侵蚀机理(即发生内部侵蚀所需的必要条件)、影响松散堆积体内部稳定性的因素、内部侵蚀对松散堆积体的物理力学可能造成的影响，研发了可室内模拟雨水入渗条件下松散堆积体土柱潜在的内部侵蚀过程的可调速定流量渗流侵蚀实验装置和土—水分离实验方案以及相应的实验装置。其中可调速定流量渗流侵蚀实验装置可以完成土柱的内部侵蚀过程的室内模拟，土—水分离实验方案以及相应的实验设备可揭示侵蚀过程中，粘土颗粒侵蚀速率、砂粒砾石混合颗粒侵蚀速率、侵蚀流体出渗速率、饱和渗透系数等侵蚀特征参数的变化。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：
一种雨水入渗下土柱渗流侵蚀实验装置，包括实验装置支架、上游水头控制系统、刚性壁渗流室、侵蚀混合流体收集系统；
所述实验装置支架包括底板、中间活动板、顶板、螺纹杆和螺帽；所述底板、中间活动板和顶板相互平行且水平设置，所述螺纹杆穿过中间活动杆并沿竖直方向固定于顶板与底板之间；所述螺帽通过螺纹连接于螺纹杆，用于固定所述活动板；
所述上游水头控制系统用于控制入渗速率以及试样承受的水力梯度，其包括与所述顶板固定的上游水头测量管、入渗储水箱、用于实时测量所述入渗储水箱重量的电子秤、用于将所述入渗储水箱内的纯净水通过硅胶管加压输送至水头测量管的蠕动泵、靠近管口位置与所述上游水头测量管壁连通的溢流管、以及用于承接从溢流管溢出的侵蚀流体的水头控制储水箱；
所述刚性壁渗流室包括用于容纳土柱试样的刚性壁圆筒；所述刚性壁圆筒以可拆卸的方式安装于所述中间活动板，并与所述上游水头测量管下端连接；
所述侵蚀混合流体收集系统包括固定于凹槽基座底部的锥形漏斗、位于锥形漏斗正下方的侵蚀流体收集杯、放置于所述底板用于支撑侵蚀流体收集杯的收集杯承台；
进一步，所述刚性壁圆筒内设有贴附于其内壁的橡胶膜、位于其中部的上部反滤层以及位于其底部的下部反滤层；所述刚性壁圆筒内部位于上部反滤层上方的空间用于填充玻璃珠、刚性壁圆筒内部位于上部反滤层与下部反滤层之间的空间用于容纳土柱试样；
进一步，所述凹槽基座一体成型于所述中间活动板，凹槽基座设有中心沉头孔，所述沉头底部用于放置所述下部反滤层；
进一步，所述上部反滤层和下部反滤层均为有机玻璃网；
进一步，所述侵蚀混合流体收集杯为带有编号的透明塑料杯，用以定时定量收集侵蚀混合流体；所述收集杯承台为实心木块，用以承放收集杯且防止实验支架偏移。
本发明还公开了一种土—水分离实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1.利用所述雨水入渗下土柱渗流侵蚀实验装置定时收集侵蚀混合流体；
s2.测量侵蚀混合流体中的粘土颗粒质量；
s3.测量侵蚀流体质量；
s4.测量砂粒砾石混合颗粒质量；
进一步，在步骤s2中，通过通过透明长方体容纳盒容纳侵蚀混合流体，并采用透光率仪测量侵蚀混合流体的透光率，最终获得侵蚀混合流体中粘土颗粒浓度；
进一步，在步骤s3中，通过砂芯过滤器过滤出侵蚀土颗粒，并称重获得所述侵蚀土颗粒质量。
本发明的有益效果为：
(1)利用可调速定流量渗流侵蚀实验装置，可室内模拟含碎石粉质粘土松散堆积体在雨水入渗条件下的潜在内部侵蚀过程；
(2)利用土—水分离实验方案可揭示侵蚀过程中粘土颗粒侵蚀速率、砂粒砾石颗粒侵蚀速率、侵蚀流体出渗速率、饱和渗透系数等侵蚀特征参数的变化；
(3)基于对松散堆积体土柱侵蚀过程的分析，可揭示松散堆积体在雨水入渗条件下内部侵蚀启动的机理，影响松散堆积体内部稳定性的因素、内部侵蚀对松散堆积体物理力学性质的影响。
附图说明
图1为本发明的可调速定流量渗流侵蚀实验装置框架示意图；
图2为本发明的可调速定流量渗流侵蚀实验装置中刚性壁渗流室内部构造图；
主要元件符号说明如下：
底板1、顶板2、中间活动板3、螺纹杆4、螺帽5、电子称6、入渗储水箱7、蠕动泵8、硅胶管9、上游水头测量管10、水头控制储水箱11、刚性壁圆筒12、凹槽基座13、锥形漏斗14、侵蚀混合流体收集杯15、收集杯承台16、橡胶膜17、玻璃珠18、上游有机玻璃网片19、下游有机玻璃网片20、透光率仪21、自制的长方体有机玻璃容纳盒22、砂芯过滤器23。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。
一种雨水入渗下土柱渗流侵蚀实验装置，包括实验装置支架、上游水头控制系统、刚性壁渗流室、侵蚀混合流体收集系统；
所述实验装置支架包括底板1、中间活动板3、顶板2、螺纹杆4和螺帽5；所述底板1、中间活动板3和顶板2相互平行且水平设置，所述螺纹杆4穿过中间活动杆并沿竖直方向固定于顶板2与底板1之间；所述螺帽5通过螺纹连接于螺纹杆4，用于固定所述活动板；本实施例中，所述底板1位于装置底部，采用直径30cm厚度2cm的有机玻璃圆形板制作而成，所述顶板2位于装置顶部，采用直径为30cm厚度2cm的有机玻璃圆形板制作而成，在中心制作直径为5cm的圆孔，用于固定上游水头测量管10，确保垂直向下的渗流方向；所述中间活动板3位于装置中部，采用直径为30cm厚度为2cm的有机玻璃圆形板制作而成，在中心制作直径为4cm的圆孔，在圆孔上制作凹槽基座13，用以固定所述刚性壁渗流室，所述凹槽基座13，通过在活动板的上方与圆孔圆心同轴先后粘贴内径为4cm外径为6cm厚度为2cm的圆环以及内径为5cm外径为6cm厚度为2cm的圆环制作而成。
所述上游水头控制系统用于控制入渗速率以及试样承受的水力梯度，其包括与所述顶板2固定的上游水头测量管10、入渗储水箱7、用于实时测量所述入渗储水箱7重量的电子秤6、用于将所述入渗储水箱7内的纯净水通过硅胶管9加压输送至水头测量管的蠕动泵8、靠近管口位置与所述上游水头测量管10壁连通的溢流管、以及用于承接从溢流管溢出的侵蚀流体的水头控制储水箱11；本实施例中所述上游水头测量管10固定于所述顶板2中心，采用内径为4cm壁厚为0.5cm高度为60cm的有机玻璃管制作而成，在距顶部管口10cm处设置直径为1cm的溢流管，所述上游水头测量管10用以实时测量土柱试样承受的上游水头，所述溢流管用以控制土柱试样承受的最大水头，将所述装满纯净自来水的入渗储水箱7放置与电子称上，通过连续读取电子称显示的重量，可实时测量实验过程中侵蚀流体的入渗量，所述蠕动泵8为kamoer蠕动泵8，硅胶管9为6×9.6mm型硅胶管9，硅胶管9刚度较大难以变形，相同的尺寸可以保证恒定的流量，蠕动泵8最大功率为74ml/min且可通过调节旋钮任意调节入渗流量，用以将储存于所述入渗储水箱7中的纯净自来水连续泵入所述上游水头测量管10，所述水头控制储水箱11，为容积足够大的水桶，用以收集从上游水头测量管10中通过溢流管排放出的侵蚀流体；
所述刚性壁渗流室包括用于容纳土柱试样的刚性壁圆筒12；所述刚性壁圆筒12以可拆卸的方式安装于所述中间活动板3，并与所述上游水头测量管10下端连接；
所述刚性壁圆筒12内设有贴附于其内壁的橡胶膜17、位于其中部的上部反滤层以及位于其底部的下部反滤层；所述刚性壁圆筒12内部位于上部反滤层上方的空间用于填充玻璃珠18、刚性壁圆筒12内部位于上部反滤层与下部反滤层之间的空间用于容纳土柱试样。其中，所述上部反滤层和下部反滤层均为有机玻璃网；本实施例中，所述刚性壁圆筒12由上、下高度分别为7cm、8cm，内径分别为4、5cm，壁厚均为0.5cm的有机玻璃圆筒组成，上部圆筒用以放置所述玻璃球，目的在于均匀分散侵蚀流体到试样上表面，下部圆筒用以固定直径为3.91cm高度为8cm的所述土柱实验，所述橡胶膜17直径为3.91cm，膜厚为0.2cm，放置于土柱试样与刚性壁圆筒12之间，用以减小试样与刚性壁间大孔隙，进而消除可能的“寄生流”，所述上游有机玻璃网片19，由直径为3.9cm厚度均为0.2cm开孔孔径为0.2cm的有机玻璃网片制作而成，用以阻止所述土柱试样上表面的细颗粒上浮以及粗颗粒堵塞渗流通道且进一步均匀分散入渗流体，且为了减少可能的水头损失，网片与所述土柱试样的上表面相互接触，所述下游有机玻璃网片20，由直径为3.9cm厚度为0.2cm开孔孔径为0.4cm的有机玻璃网片制作而成，用以为上游面作用有水头的所述土柱试样提供支撑反力，且0.4cm的开孔避免了遭受侵蚀的粗颗粒随侵蚀流体流动堵塞锥形漏斗14。本实施例中的所述凹槽基座13一体成型于所述中间活动板3，凹槽基座13设有中心沉头孔，所述沉头底部用于放置所述下部反滤层，沉头孔的两个节段的直径差为2cm，在凹槽基座13空间可以自行决定反滤层的类型，可以是颗粒类型，也可以是带开孔的网片，本实施例中在基座顶部的凹陷平台与试样的底部之间放置一带开孔的下游有机玻璃网片20，利用3根所述螺纹杆4和9个螺帽5将所述底板1、顶板2固定，将所述中间活动板3临时固定，可通过所述调节螺帽5可调节所述中间活动板3的高度。
所述侵蚀混合流体收集系统包括固定于凹槽基座13底部的锥形漏斗14、位于锥形漏斗14正下方的侵蚀流体收集杯15、放置于所述底板1用于支撑侵蚀流体收集杯15的收集杯承台16；所述锥形漏斗14，为透明的塑料锥形漏斗14，在所述中间活动板3的下方与圆孔圆心同轴粘贴，用于方便视觉观察侵蚀的启动且引导侵蚀混合流体收集于所述侵蚀混合流体收集杯15，所述侵蚀混合流体收集杯15为带有编号的透明塑料杯，用以定时定量收集侵蚀混合流体，所述收集杯承台16，为边长为10cm的实心木块，用以承放收集杯且防止实验支架偏移。
本发明还公开了一种土—水分离实验方法，包括以下步骤：
s1.利用所述雨水入渗下土柱渗流侵蚀实验装置定时收集侵蚀混合流体；具体步骤如下：采用各粒度范围在0.01～10mm内的各粒组颗粒按照预定标准重塑试样，将重塑试样利用橡胶膜17包裹，将下游有机玻璃网片20置于凹槽基座13底部，将上游有机玻璃网片19置于试样上表面，将带有橡胶膜17的试样置于刚性壁渗流室内，将玻璃球置于刚性壁渗流室的上部圆筒内；
将带有试样的刚性壁渗流室通过旋转的方式固定在凹槽基座13内，将上游水头测量管10的下端与刚性壁渗流室的上端通过橡胶膜17连接，利用橡胶管连接溢流管与水头控制储水箱11，利用硅胶管9连接入渗储水箱7与入渗储水箱7；
将收集杯承台16和侵蚀混合流体收集杯15先后放置于底板1上；
向入渗储水箱7装满纯净自来水，置于电子称上，启动蠕动泵8调节至预定的档位，同时启动秒表记录试验持续时间，将整个侵蚀过程离散为多个阶段，每个阶段持续约1～5min。根据实验观察，侵蚀的发生是间断的且每一次侵蚀过程的持续时间是不确定的，故为了尽可能地捕做到侵蚀现象的启动以及侵蚀过程的发展的同时也为了降低工作量，阶段间隔时间为1～5min，具体的标准为视觉观察到侵蚀流体明显浑浊阶段选择的间断时间为1min,视觉观察到侵蚀流体明显清澈时的间隔时间最长不超过5min。介于二者状态之间的间隔可酌情选择。在每个时间间隔节点记录上游入渗储水箱7的质量，并同时交替替换带编号的侵蚀混合流体的收集杯。
持续实验中以下标准作为实验停止节点(1)侵蚀流体连续10min清澈明亮，无颗粒进一步侵蚀，水头保持恒定；(2)上游水头测量管10中的积累水头急剧下降到0；(3)实验持续时间超过预定的持续时间。
s2.测量侵蚀混合流体中的粘土颗粒质量；配置不同粘土颗粒浓度的悬浊液，并利用透光率仪21以及长方体有机玻璃容纳盒22检测其透光率，绘制粘土颗粒浓度—透光率对照曲线；
取每个阶段内收集到的侵蚀混合流体，利用电子称称量获得侵蚀流体混合总质量，利用玻璃棒充分震荡侵蚀混合流体后，将上部悬浊液倾于自制的长方体有机玻璃容纳盒22，利用透光率仪21检测上部悬浊液的透光率，结合实验前获得的粘土颗粒浓度—透光率对照曲线，推演每个阶段内侵蚀混合流体的粘土颗粒浓度，并最终计算出侵蚀混合流体中的粘土颗粒质量。
s3.测量侵蚀流体质量；取余下的侵蚀混合流体，倾入砂芯过滤器2322经玻璃棒充分搅拌后在真空泵的辅助下分离，侵蚀土颗粒将残留在编号与侵蚀混合流体收集杯15的编号相同的滤纸上，烘干至恒重，称量侵蚀土颗粒的质量，侵蚀流体收集在下方的锥形瓶内，称量侵蚀流体的质量。
s4.测量砂粒砾石混合颗粒质量；侵蚀混合流体总质量的总质量扣除土颗粒质量后为侵蚀流体质量，侵蚀流体质量与已检测到的粘土颗粒浓度的乘积为侵蚀混合流体中粘土颗粒质量，侵蚀土颗粒质量扣除粘土颗粒质量后为砂粒砾石混合颗粒质量；
将在每个阶段内检测到的粘土颗粒质量、砂粒砾石混合颗粒质量、侵蚀流体质量，分别除以该阶段实验持续时间，以及试样横截面面积可以获得该阶段内粘土颗粒平均侵蚀速率、砂粒砾石混合颗粒平均侵蚀速率、侵蚀流体的出渗速率；
当收集到的侵蚀混合流体量较少难以直接利用透光率仪21检测或粘土颗粒浓度超过了透光率仪21的量程，添加纯净自来水使得侵蚀混合流体达到透光率仪21可适用的范围，再重复上述步骤。